一種基于協(xié)同仿真C頻段大功率帶通濾波器設(shè)計(jì)

韓來(lái)輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增加和科技水平的不斷進(jìn)步[1-3]，微波技術(shù)也的到了快速地發(fā)展，大功率容量微波濾波器作為微波工程的重要組成部分，在保證發(fā)射機(jī)輸出頻譜純度上發(fā)揮著重要的作用[4-5]，大功率濾波器不僅使發(fā)射機(jī)載波低損耗通過(guò)，同時(shí)抑制發(fā)射機(jī)寄生輸出的干擾。大功率濾波器設(shè)計(jì)與其他濾波器又有所不同，矩形波導(dǎo)因其傳輸功率容量大常常作為大功率濾波器的傳輸介質(zhì)，通帶的插入損耗和回波損耗指標(biāo)要求高，否則容易引起發(fā)射機(jī)功率下降、傳輸介質(zhì)發(fā)熱和系統(tǒng)性能變壞等問(wèn)題。在滿足以上要求的同時(shí)，阻帶抑制度的高低體現(xiàn)了濾波器的價(jià)值。因此研制具有高傳輸功率、低傳輸損耗、低回波損耗以及高阻帶抑制的大功率濾波器成為發(fā)射機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一[6-7]。大功率容量微波濾波器在航天測(cè)控、衛(wèi)星通信、雷達(dá)以及電子對(duì)抗等系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用[8-10]。如何快速、準(zhǔn)確、高效地設(shè)計(jì)滿足要求的濾波器對(duì)工程師提出了更高的要求。濾波器傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需要大量理論計(jì)算和繁瑣的調(diào)試過(guò)程，本文介紹了一種場(chǎng)路協(xié)同設(shè)計(jì)濾波器的方法，并基于此方法研制了一種C頻段大功率波導(dǎo)帶通濾波器。

1 設(shè)計(jì)原理及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

低通原型濾波器作為設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)，它是由集總參數(shù)原件組成的二端口網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的低通濾波器原型主要有最平坦型(巴特沃爾斯Butterworth型)、等波紋型(切比雪夫Tchebyscheff型)以及橢圓函數(shù)型(考爾Cauer型)等[11-12]。根據(jù)選擇的低通原型濾波器類(lèi)型采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合的方法，通過(guò)頻率變換將各種特性濾波器(低通、高通、帶通、帶阻)轉(zhuǎn)化為低通原型濾波器，經(jīng)過(guò)綜合設(shè)計(jì)獲得低通原型濾波器的歸一化元件值再次通過(guò)頻率變換求出實(shí)際所需特性濾波器的歸一化元件數(shù)值，最后反歸一化求出真實(shí)的元件數(shù)值，集總元件原型電路中各元件用微波結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

濾波器設(shè)計(jì)首先根據(jù)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)如通帶損耗、阻帶的抑制度等，選擇低通濾波器的原型，然后通過(guò)計(jì)算或者查表確定濾波器的階數(shù)N，根據(jù)所選低通濾波器原型可計(jì)算濾波器的階數(shù)N如下：

① 最平坦型濾波器階數(shù)N：

(1)

式中，LAs為歸一化截止頻率Ωs時(shí)濾波器的阻帶數(shù)衰減值。

② 切比雪夫型濾波器階數(shù)N：

(2)

式中，LAp為通帶波紋。

③ 橢圓函數(shù)型濾波器階數(shù)N：

(3)

式中，

(4)

(5)

(6)

式中，Ωp為歸一化通帶頻率；LAp為通帶波紋；LAs為阻帶衰減。

查表低通原型濾波器歸一化元件值，得到歸一化元件值g1,…,gn。

由式(7)計(jì)算阻抗倒置器的歸一化特性阻抗：

(7)

(k=1～(N-1))，

(8)

利用式(9)可分別計(jì)算出各并聯(lián)膜片的歸一化感抗值：

(9)

諧振腔體的電長(zhǎng)度為：

(10)

式(10)已體現(xiàn)了半波長(zhǎng)波導(dǎo)諧振腔的電長(zhǎng)度部分抵消了電感倒置器相鄰波導(dǎo)的負(fù)電長(zhǎng)度。故諧振腔體的實(shí)際長(zhǎng)度為：

(11)

最后根據(jù)矩形波導(dǎo)對(duì)稱電感膜片的電抗圖，即可計(jì)算出電感膜片的尺寸。

2 Designer和HFSS協(xié)同仿真帶通濾波器設(shè)計(jì)

最平坦型低通濾波器的一般設(shè)計(jì)過(guò)程為：首先，確定采用低通濾波器原型，如：最平坦型、等波紋型或橢圓函數(shù)型等；其次，根據(jù)低通濾波器原型電路，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求利用理論計(jì)算和公式推導(dǎo)得到設(shè)計(jì)濾波器階數(shù)N和初始元件值g，計(jì)算阻抗倒置器的歸一化特性阻抗和并聯(lián)膜片的歸一化感抗，最后，得到諧振腔的長(zhǎng)度和電感膜片的尺寸。

傳統(tǒng)的最平坦型低通濾波器設(shè)計(jì)方法需要進(jìn)行大量理論計(jì)算和公式推算，使濾波器的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程十分繁瑣。本文利用電路仿真軟件ANSYS Designer和電磁仿真軟件ANSYS HFSS(High Frequency Structure)[6]的場(chǎng)路結(jié)合、協(xié)同工作，該設(shè)計(jì)方法既機(jī)充分了利用電路仿真電路速度，又發(fā)揮了三維電磁場(chǎng)仿真的精度，優(yōu)化了濾波器整個(gè)仿真設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)的高效性，同時(shí)又保證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

ANSYS Designer和ANSYS HFSS是ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一款成熟的電路和電磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)軟件，能夠輔助設(shè)計(jì)包含電路和三維電磁場(chǎng)的仿真。本文利用ANSYS Designer 8.0和ANSYS HFSS 14.0場(chǎng)路結(jié)合、協(xié)同工作的方法，采用并聯(lián)電感耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)電感作為阻抗倒置變換器，半波長(zhǎng)波導(dǎo)作為串聯(lián)諧振腔形式，設(shè)計(jì)了一種C頻段波導(dǎo)大功率帶通濾波器。

3 C頻段高功率帶通濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 C頻段帶通濾波器的技術(shù)要求

根據(jù)某工程總體技術(shù)要求，為了發(fā)射機(jī)在工作的過(guò)程中寄生輸出頻譜不能提高接收機(jī)接收頻帶內(nèi)的噪聲溫度，需研制一種C頻段帶通濾波器[13]，同時(shí)根據(jù)發(fā)射機(jī)正常工作條件決定了該濾波器通帶工作頻帶應(yīng)具有高功率、低傳輸和回波損耗，阻帶頻帶具有高抑制度的要求[14]。本文設(shè)計(jì)的大功率波導(dǎo)帶通濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)為：

通帶工作頻率：5 650～5 950 MHz；

通帶插入損耗：≤0.2 dB；

通帶回波損耗：≤-20 dB；

阻帶抑制度：≥45 dB@5 000～5 100 MHz；

功率容量：≥1 500 W(CW)。

3.2 C頻段帶通濾波器具體設(shè)計(jì)

首先依據(jù)濾波器技術(shù)指標(biāo)中工作頻率和功率容量的要求[15]，確定采用寬邊a為47.55 mm，窄邊b為22.15 mm的標(biāo)準(zhǔn)BJ48波導(dǎo)作為傳輸介質(zhì)。

根據(jù)所選擇的并聯(lián)電感膜片耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波器的模型如圖1所示，利用ANSYS HFSS進(jìn)行基本單元的建模和仿真。基本單元的模型如圖2所示。

圖1 并聯(lián)電感膜片耦合波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure chart of Parallel Inductive diaphragm coupled waveguide filter

圖2 濾波器基本單元Fig.2 Bandpass filter basic unit

建立ANSYS Designer與ANSYS HFSS間的動(dòng)態(tài)鏈接，將ANSYS HFSS 中的模型導(dǎo)入到ANSYS Designer中，通過(guò)ANSYS HFSS中基本單元、端口建立完成電路原理圖，設(shè)置掃描頻率、參數(shù)變量和結(jié)果，建立濾波器優(yōu)化目標(biāo)。在ANSYS Designer中得到趨近目標(biāo)的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 帶通濾波器原理圖和結(jié)果Fig.3 Principle diagram and Simulation results of bandpass filter

最后將ANSYS Designer中優(yōu)化后的濾波器導(dǎo)出到ANSYS HFSS中，對(duì)電路仿真的結(jié)果在三維電磁場(chǎng)HFSS中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，三維模型和仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 帶通濾波器三維仿真模型Fig.4 Simulation modeling of bandpass filter

圖5 帶通濾波器仿真結(jié)果Fig.5 HFSS software simulation results

4 C頻段帶通濾波器加工及實(shí)測(cè)

基于ANSYS Designer和ANSYS HFSS對(duì)C頻段帶通濾波器進(jìn)行了場(chǎng)路協(xié)同仿真，得到了比較理想的結(jié)果，并對(duì)該波導(dǎo)帶通濾波器進(jìn)行了實(shí)物加工、裝配和測(cè)試，實(shí)物照片如圖6所示，尺寸約240 mm×88.9 mm×63.5 mm。實(shí)測(cè)曲線如圖7所示。

圖6 帶通濾波器實(shí)物Fig.6 Physical chart of bandpass filter

圖7 帶通濾波器實(shí)測(cè)Fig.7 Test results of bandpass filter

該大功率波導(dǎo)帶通濾波器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：

插入損耗：≤0.2 dB@5.65～5.95 GHz；

回波損耗：≤-29 dB@5.65～5.95 GHz；

抑制度：≥50 dB@5～5.1 GHz。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，該大功率帶通濾波器的實(shí)測(cè)曲線與仿真結(jié)果相近，插入損耗、回波損耗和阻帶抑制特性均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，而且該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配容易。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS Designer仿真的方式得到濾波器初值，通過(guò)ANSYS HFSS仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種C頻段大功率帶通濾波器功率容量大、帶內(nèi)插入損耗小、回波損耗小，具有高的阻帶抑制特性。利用ANSYS Designer和ANSYS HFSS聯(lián)合仿真輔助設(shè)計(jì)濾波器簡(jiǎn)單快捷，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行樣件的加工，完全可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。同時(shí)進(jìn)行了小批量加工，經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用，滿足要求。

綜上所述，傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)方法與場(chǎng)路協(xié)同仿真方法相比，場(chǎng)路協(xié)同設(shè)計(jì)濾波器不需要大量理論計(jì)算與公式推演和調(diào)試過(guò)程，具有設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，避免因計(jì)算引入誤差需后期繁瑣調(diào)試的問(wèn)題。場(chǎng)路協(xié)同仿真方法為濾波器設(shè)計(jì)提供一種新的途徑，在其他類(lèi)型無(wú)源器件的設(shè)計(jì)中有著很好的借鑒作用。